一種強化心部切削功能的混合鑽頭的製作方法

2023-07-05 05:51:31 1

專利名稱：一種強化心部切削功能的混合鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種用於石油、天然氣和地質鑽井用的強化心部切削功能的混合鑽頭，該鑽頭適用於在硬地層和夾層地層的鑽井。
背景技術：
在現有技術中，當鑽井遇到硬地層時，常用的PDC金剛石鑽頭主要是通過刮削運動方式來實現井下鑽進，金剛石鑽頭的鼻部和肩部上主要的固定切削齒很難有效吃入井底巖石，金剛石鑽頭的機械鑽速將變得非常緩慢；而牙輪鑽頭以衝擊壓碎方式破碎巖石，容易使巖石產生較深的破碎齒坑，但由於地層硬，不能使巖石產生體積破碎，故牙輪鑽頭切削齒的切削效率也很低。另外一方面，當鑽頭遇到一些軟硬夾層較多的地層時，PDC金剛石鑽頭的固定切削齒極易受到衝擊破損，為了應對這種情況，中國專利文獻CN200880016630. O公開了由牙輪鑽頭和PDC金剛石鑽頭組合而成的混合鑽頭，該混合鑽頭雖有較強的綜合性能，但存在以下的不足由於三牙輪鑽頭特有衝擊壓碎的破巖機理，牙輪旋轉產生的衝擊載荷易導致鑽頭的固定切削齒複合片破碎，從而導致鑽頭機械鑽速的降低，且該鑽頭上最靠近鑽頭軸向中心的是固定切削齒，由於該固定切削齒太靠近鑽頭軸向中心，迴轉半徑小，切削速度低，因而切削效率低；且該固定切削齒速度單獨切削井底軸向中心巖石，承受的載荷較大，易出現複合層破碎或脫落。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術存在的不足而提供一種強化心部切削功能的混合鑽頭，它不僅綜合性能強，能對井底巖石進行有效地預破碎，使得鑽頭的固定切削齒有效吃入巖石，而且能減少對固定切削齒的衝擊，增強鑽頭心部的切削效率和機械鑽速，從而提聞鑽頭的切削效率和機械鑽速。本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為包括有鑽頭體，鑽頭體上設置刀翼和噴嘴，刀翼輪廓從內至外劃分為心部、內錐、鼻部、肩部和保徑段；在刀翼上刀翼輪廓的內錐、鼻部、肩部和保徑段安設有固定切削齒，牙掌設置於刀翼之間，所述的牙掌上端與鑽頭體聯接成一體，牙掌的下端安設牙輪，牙輪上安設有牙輪切削齒，其不同之處在於在所述的鑽頭體下端心部設置有活動切削齒。按上述方案，所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線之外，所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線與固定切削齒的最外輪廓包羅線之間的距離為O. 3 "5毫米。按上述方案，所述的刀翼為2 4個；所述的牙輪為2 4個。按上述方案，所述的活動切削齒包括軸向盲孔和安設於軸向盲孔的活動切削齒，活動切削齒的軸線與鑽頭體軸線相偏離，偏離距為O. 5 40毫米。按上述方案，所述的活動切削齒為圓軸狀，前端部設置有花瓣形的切削齒，軸部為階梯形，前部直徑較小，活動切削齒與鑽頭體心部設置的階梯形軸向盲孔相配置，軸向盲孔中安設有軸向擋環，擋環與鑽頭體相固聯。按上述方案，所述的活動切削齒直徑為5 40毫米，所述的前端部花瓣形切削齒沿周向設置有2飛個切削刃。按上述方案，所述的牙輪為鑲齒牙輪，所述的活動切削齒由硬質合金或聚晶金剛石製成，或由硬質合金和聚晶金剛石複合而成。按上述方案，所述的固定切削齒為金剛石複合片。按上述方案，所述的牙輪的旋轉軸線與鑽頭體的旋轉軸線成30° 70°的夾角。本發明的有益效果在於1、將牙輪鑽頭的衝擊壓入和金剛石鑽頭的刮削運動相有機結合，實現井底預破碎，保證固定切削齒有效吃入巖石，消除鑽頭在一些特殊地層發生粘滑現象，降低固定切削齒的衝擊載荷，減少固定切削齒衝擊破損的機率，提高鑽頭切削效率 和機械鑽速；2、鑽頭體心部安設的活動切削齒，由於相對於鑽頭體軸線偏置，因而活動切削齒相對井底巖石的運動速度較大，即活動切削齒的切削速度較大，且活動切削齒的多切削刃同時切削，強化了鑽頭心部的切削效率和機械鑽速；3、由於牙輪切削齒的最外輪廓包羅線在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線之外，鑽頭在工作過程中產生的衝擊載荷主要由牙輪切削齒承受，進一步降低了 PDC複合片的衝擊載荷，減少了 PDC複合片衝擊破損的機率，從而提高鑽頭的整體切削效率和機械鑽速。


圖1為本發明一個實施例倒立時的立體圖。圖2為本發明一個實施例倒立時的俯視圖。圖3為本發明的牙輪切削齒與固定切削齒的最外輪廓包羅線的投影圖。圖4為圖2的A-A剖視圖。圖5為圖4中的活動切削齒所在區域的局部放大圖。圖6為活動切削齒的立體圖。圖7為擋環的立體圖。圖8為當鑽頭旋轉時，現有混合鑽頭或PDC鑽頭心部的固定切削齒的切削速度分布圖。圖9為活動切削齒自轉時的切削速度分布圖。圖10為圖8及圖9中的速度合成後的切削速度分布圖。
具體實施例方式以下結合附圖進一步說明本發明的實施例。包括有鑽頭體I，鑽頭體上沿周向設置3個刀翼2和噴嘴7，刀翼的輪廓17從內至外劃分為心部21、內錐22、鼻部23、肩部24和保徑段25 ;刀翼上輪廓的內錐22、鼻部23、肩部24和保徑段25分別安設有固定切削齒3，固定切削齒3為金剛石複合片；鑽頭體上各刀翼間設置有牙掌4，所述的牙掌上端與鑽頭體I焊接成一體，牙掌的下端設置軸頸，牙輪5套裝在軸頸上並通過鋼珠軸向鎖定，牙輪的旋轉軸線9與鑽頭體的旋轉軸線8成45°飛0°的夾角α。牙輪上安設有牙輪切削齒6，所述的牙輪上的牙輪切削齒位於刀翼輪廓的鼻部23和肩部24位。在刀翼輪廓的心部21，亦即鑽頭體的下端心部設置有一軸向盲孔，軸向盲孔中安設有一活動切削齒10並由軸向擋環13軸向定位，軸向盲孔軸線亦即活動切削齒軸線11相對於鑽頭體軸線8偏離，偏離距為5 25毫米；所述的活動切削齒為圓軸狀，直徑為1(Γ30毫米，前端部設置有花瓣形的切削齒，切削齒沿周向設置有3個切削刃12，軸部為階梯形，前部直徑較小，活動切削齒與階梯形軸向盲孔相配置，軸向盲孔中安設有軸向擋環，擋環與鑽頭體相固聯，所述的活動切削齒由硬質合金和聚晶金剛石複合而成。所述的軸向盲孔為階梯孔，軸向擋環13安設在下端階梯孔中，活動切削齒10可在軸向盲孔中轉動。所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線19在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線18之外，牙輪切削齒的最外輪廓包羅線與固定切削齒的最外輪廓包羅線之間的距離C為O. 5^1毫米。當鑽頭體繞自身軸線8旋轉時，現有混合鑽頭或PDC鑽頭心部的固定切削齒的切削速度分布圖如圖8所示，此時混合鑽頭或PDC鑽頭心部的固定切削齒上靠近鑽頭體軸線8的部分切削速度很低；活動切削齒繞自身軸線11自轉時，活動切削齒的切削速度分布圖如圖9所示；當活動切削齒既隨鑽頭公轉，又繞自身軸線11自轉時，合成的切削速度分布圖 如圖10所示，此時活動切削齒上靠近鑽頭體軸線8的部分切削速度有較大幅度提高。本發明工作時，將牙輪鑽頭的衝擊壓入和金剛石鑽頭的刮削運動相結合，牙輪切削齒實現井底預破碎，保證固定切削齒有效吃入巖石，消除鑽頭在一些特殊地層發生粘滑現象，降低固定切削齒的衝擊載荷，減少固定切削齒衝擊破損的機率，提高鑽頭切削效率和機械鑽速；鑽頭體的中心部位安設的活動切削齒10，由於相對於鑽頭體軸線偏置，因而活動切削齒相對井底巖石的運動速度較大，即活動切削齒切削速度較大，且活動切削齒的多切削刃同時切削，進一步提高鑽頭心部的切削效率和機械鑽速。
權利要求
1.一種強化心部切削功能的混合鑽頭，包括有鑽頭體，鑽頭體上設置刀翼和噴嘴，刀翼輪廓從內至外劃分為心部、內錐、鼻部、肩部和保徑段；在刀翼上刀翼輪廓的內錐、鼻部、肩部和保徑段安設有固定切削齒，牙掌設置於刀翼之間，所述的牙掌上端與鑽頭體聯接成一體，牙掌的下端安設牙輪，牙輪上安設有牙輪切削齒，其特徵在於在所述的鑽頭體下端心部設置有活動切削齒。
2.按權利要求1所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線之外，所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線與固定切削齒的最外輪廓包羅線之間的距離為O. 3 5毫米。
3.按權利要求1或2所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的刀翼為 2 4個。
4.按權利要求3所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的牙輪為2 4個。
5.按權利要求1或2所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的活動切削齒包括軸向盲孔和安設於軸向盲孔的活動切削齒，活動切削齒的軸線與鑽頭體軸線相偏離，偏離距為O. 5 40毫米。
6.按權利要求5所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的活動切削齒為圓軸狀，前端部設置有花瓣形的切削齒，軸部為階梯形，前部直徑較小，活動切削齒與鑽頭體心部設置的階梯形軸向盲孔相配置，軸向盲孔中安設有軸向擋環，擋環與鑽頭體相固聯。
7.按權利要求6所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的活動切削齒直徑為5 40毫米，所述的前端部花瓣形切削齒沿周向設置有2飛個切削刃。
8.按權利要求6或7所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的牙輪為鑲齒牙輪，所述的活動切削齒由硬質合金或聚晶金剛石製成，或由硬質合金和聚晶金剛石見合而成。
9.按權利要求1或2所述的強化心部切削功能的混合鑽頭，其特徵在於所述的牙輪的旋轉軸線與鑽頭體的旋轉軸線成30° 70°夾角。
全文摘要
本發明涉及到一種用於石油、天然氣和地質鑽井用的強化心部切削功能的混合鑽頭，包括有鑽頭體，鑽頭體上設置刀翼和噴嘴，刀翼輪廓從內至外劃分為心部、內錐、鼻部、肩部和保徑段；在刀翼上刀翼輪廓的內錐、鼻部、肩部和保徑段安設有固定切削齒，牙掌設置於刀翼之間，所述的牙掌上端與鑽頭體聯接成一體，牙掌的下端安設牙輪，牙輪上安設有牙輪切削齒，其特徵在於在所述的鑽頭體下端心部設置有活動切削齒。本發明不僅綜合性能強，能對井底巖石進行有效地預破碎，使得鑽頭的固定切削齒有效吃入巖石，而且能減少對固定切削齒的衝擊，增強鑽頭心部的切削效率和機械鑽速，從而提高鑽頭整體的切削效率和機械鑽速。
文檔編號E21B10/52GK103015899SQ20121055255
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者樊孝兵, 劉強, 程永, 宋滿華, 吳素婷, 劉聰 申請人:江漢石油鑽頭股份有限公司